מה זה אור? שאלה זו עניינה את האנושות בכל הדורות, אך רק במאה ה-20 של תקופתנו ניתן היה להבהיר הרבה על מהות התופעה הזו. מאמר זה יתמקד בתיאוריה הגופנית של האור, היתרונות והחסרונות שלו.
מפילוסופים עתיקים ועד כריסטיאן הויגנס ואייזק ניוטון
כמה עדויות ששרדו עד זמננו אומרות שאנשים התחילו להתעניין בטבע האור במצרים העתיקה וביוון העתיקה. בתחילה האמינו שאובייקטים פולטים תמונות של עצמם. האחרונים, נכנסים לעין האנושית, יוצרים רושם של נראות של חפצים.
ואז, במהלך היווצרות המחשבה הפילוסופית ביוון, הופיעה תיאוריה חדשה של אריסטו, שהאמינה שכל אדם פולט כמה קרניים מהעיניים, שבזכותן הוא יכול "לחוש" חפצים.
ימי הביניים לא הביאו כל בהירות לנושא הנדון, הישגים חדשים הגיעו רק עם הרנסנס והמהפכה במדע. בפרט, במחצית השנייה של המאה ה-17, הופיעו שתי תיאוריות הפוכות לחלוטין, אשר ביקשולהסביר את התופעות הקשורות לאור. אנחנו מדברים על תיאוריית הגלים של כריסטיאן הויגנס ועל התיאוריה הגופנית של אייזק ניוטון.
למרות כמה הצלחות של תיאוריית הגלים, עדיין היו לה מספר חסרונות חשובים:
- האמין שהאור מתפשט באתר, שמעולם לא התגלה על ידי איש;
- הטבע הרוחבי של הגלים פירושו שהאתר צריך להיות מדיום מוצק.
בהתחשב בחסרונות הללו, וגם בהתחשב בסמכותו העצומה של ניוטון באותה תקופה, תורת החלקיקים-גופיות התקבלה פה אחד בחוג המדענים.
מהות התיאוריה הגופנית של האור
הרעיון של ניוטון פשוט ככל האפשר: אם כל הגופים והתהליכים סביבנו מתוארים בחוקי המכניקה הקלאסית, שבה משתתפים גופים בעלי מסה סופית, אז האור הוא גם חלקיקים קטנים או גופים. הם נעים בחלל במהירות מסוימת, אם הם נתקלים במכשול, הם משתקפים ממנו. האחרון, למשל, מסביר את קיומו של צל על אובייקט. רעיונות אלו על אור נמשכו עד תחילת המאה ה-19, כלומר כ-150 שנה.
מעניין לציין שלומונוסוב השתמש בתיאוריית הגופים הניוטונית של אמצע המאה ה-18 כדי להסביר את התנהגות הגזים, המתוארת בעבודתו "אלמנטים של כימיה מתמטית". לומונוסוב חשב שגז מורכב מחלקיקי גופות.
מה הסבירה התיאוריה הניוטונית?
הרעיונות המפורטים לגבי אור נוצרוצעד ענק בהבנת טיבו. תורת הגופיים של ניוטון הצליחה להסביר את התופעות הבאות:
- התפשטות משולבת של אור במדיום הומוגני. ואכן, אם לא פועלים כוחות חיצוניים על גוף אור נע, אז מצבו מתואר בהצלחה על ידי החוק הניוטוני הראשון של המכניקה הקלאסית.
- תופעת ההשתקפות. בפגיעה בממשק בין שני אמצעים, הגופיף חווה התנגשות אלסטית לחלוטין, וכתוצאה מכך נשמר מודול התנע שלו, והוא עצמו משתקף בזווית השווה לזווית הפגיעה.
- תופעת השבירה. ניוטון האמין כי חודר לתוך תווך צפוף יותר מתווך פחות צפוף (למשל, מהאוויר לתוך המים), הגופיות מואצות עקב משיכת המולקולות של המדיום הצפוף. האצה זו מובילה לשינוי במסלולו קרוב יותר לנורמלי, כלומר נצפה אפקט שבירה.
- קיומם של פרחים. יוצר התיאוריה האמין שכל צבע שנצפה מתאים לגוף ה"צבע" שלו.
בעיות של התיאוריה המוצהרת וחזרה לרעיון של הויגנס
הם החלו להופיע כאשר התגלו אפקטים חדשים הקשורים לאור. העיקריים שבהם הם עקיפה (סטייה מהתפשטות ישר של האור כאשר אלומה עוברת דרך חריץ) והפרעות (תופעת הטבעות של ניוטון). עם גילוי תכונות האור הללו, הפיזיקאים במאה ה-19 החלו להיזכר בעבודתו של הויגנס.
באותה מאה ה-19, פאראדיי ולנץ חקרו את המאפיינים של שדות חשמליים (מגנטיים) מתחלפים, וכןמקסוול ביצע את החישובים המתאימים. כתוצאה מכך, הוכח שהאור הוא גל רוחבי אלקטרומגנטי, שאינו דורש אתר לקיומו, שכן השדות היוצרים אותו יוצרים זה את זה בתהליך התפשטות.
תגליות חדשות הקשורות לאור ולרעיון של מקס פלאנק
נראה שהתיאוריה הגופנית של ניוטון כבר נקברה לחלוטין, אבל בתחילת המאה ה-20 מופיעות תוצאות חדשות: מתברר שאור יכול "לשלוף" אלקטרונים מהחומר ולהפעיל לחץ על גופים כאשר הוא נופל עליהם. את התופעות הללו, שאליהן התווסף ספקטרום בלתי מובן של גוף שחור, תורת הגלים התבררה כחסרת כוח להסביר.
הפתרון נמצא על ידי מקס פלאנק. הוא הציע שאור מקיים אינטראקציה עם אטומי החומר בצורה של חלקים קטנים, אותם הוא כינה פוטונים. ניתן לקבוע את האנרגיה של פוטון לפי הנוסחה:
E=hv.
היכן v - תדר פוטון, h - קבוע של פלאנק. מקס פלאנק, הודות לרעיון האור הזה, הניח את הבסיס לפיתוח מכניקת הקוונטים.
באמצעות הרעיון של פלאנק, אלברט איינשטיין מסביר את תופעת האפקט הפוטואלקטרי ב-1905, נילס בוהר - ב-1912 נותן רציונל לספקטרום הפליטה והבליעה האטומיים, וקומפטון - ב-1922 מגלה את האפקט הנושא כעת את שמו. בנוסף, תורת היחסות שפיתח איינשטיין הסבירה את תפקידה של כוח המשיכה בסטייה מהתפשטות הליניארית של קרן אור.
לכן, עבודתם של מדענים אלה של תחילת המאה ה-20 החיתה מחדש את רעיונותיו של ניוטון עלאור במאה ה-17.
תיאוריית הגלים הגופיים של האור
מה זה אור? האם זה חלקיק או גל? במהלך התפשטותו, בין אם במדיום או בחלל חסר אוויר, האור מפגין תכונות של גל. כשבוחנים את האינטראקציות שלו עם החומר, הוא מתנהג כמו חלקיק חומרי. לכן, כיום, ביחס לאור, נהוג לדבר על הדואליזם של תכונותיו, המתוארות במסגרת תיאוריית הגלים-הגוף.
חלקיק של אור - לפוטון אין לא מטען ולא מסה במנוחה. המאפיין העיקרי שלו הוא אנרגיה (או תדר, שזה אותו דבר, אם שמים לב לביטוי למעלה). פוטון הוא עצם מכני קוונטי, כמו כל חלקיק אלמנטרי (אלקטרון, פרוטון, נויטרון), ולכן יש לו תנע, כאילו היה חלקיק, אבל לא ניתן למקם אותו (לקבוע את הקואורדינטות המדויקות), כאילו היה גל.
